Shunt stabilisatoren
Shunt stabilisatoren zijn een soort zenerdioden met drie pootjes, waarvan men de 'zever'-spanning over een groot bereik kan instellen. De IC's zijn op dezelfde manier te gebruiken als normale zener's maar hebben uiteraard als groot voordeel dat de gestabiliseerde spanning over het onderdeel regelbaar is! Naast de voor de hand liggende toepassing als instelbare referentie voor voedingen en DAC's kan men shunt stabilisatoren echter ook gebruiken als bijzonder economisch alternatief voor vaak zeer uitgebreide schakelingen.
Het shuntprincipe
Shunt stabilisatoren of programmeerbare zenerdioden zijn spanningstabilisatoren die volgens het zogenaamde shuntprincipe werken. Het verschil tussen het normaal gebruikte serieprincipe en het shuntprincipe wordt heel duidelijk met figuur 1. Bij het serieprincipe (links) staat de spanningsstabilisator in serie met de belasting R2. De uitgangsspanning blijft constant doordat de inwendige weerstand van de stabilisator wordt aangepast en er meer of minder spanning over het onderdeel blijft staan.
Fig. 1 Het principiële verschil tussen een serie en een shunt stabilisator.
Bij de shuntstabilisator (rechts) staat de stabilisator parallel aan de belastingsweerstand R2. Er is nu een extra weerstand R1 noodzakelijk. De som van de stromen Ireg en I2 telt zich op tot I1 en deze stroom wekt over de serieweerstand R1 een spanningsval op. Ook nu zal de stabilisator de eigen weerstand zo aanpassen dat er over R1 steeds zoveel spanning valt dat de uitgangsspanning constant blijft.
Uit de bespreking van het principe volgt onmiddellijk dat shunt stabilisatoren niet gebruikt kunnen worden in voedingen die grote stromen moeten leveren. De grote stroom zou over de serieweerstand R1 immers een groot spanningsverlies en dito vermogen genereren, met alle vervelende gevolgen vandien, zoals groot thermisch verlies en de noodzaak een hoge ongestabiliseerde spanning te gebruiken.
Shunt stabilisatoren zijn echter uitermate bruikbaar op die plaatsen waar het noodzakelijk is een instelbare referentiespanning ter beschikking te hebben. Shunt stabilisatoren zijn bijvoorbeeld uitstekend geschikt als referentie in een voeding of als referentie in een digitaal naar analoog omzetter. De referentiespanning is dan door middel van een eenvoudige schakeling met een instelpotentiometer heel precies op de gewenste waarde af te regelen.
De basisschakeling
Het symbool van een shunt-stabilisator is getekend in figuur 2. Net zoals een zenerdiode heeft het IC een anode en een kathode. Daarnaast is de besturingselektrode R, REF of FB aanwezig, waarmee men de 'zener'-spanning kan instellen en die meestal met 'reference' wordt aangeduid.
Fig. 2 Het symbool van een shunt stabilisator. DeR wordt soms ook REF of ADJ genoemd.
Het interne blokschema van een dergelijk onderdeel is getekend in figuur 3. Iedere shunt stabilisator is samengesteld uit een referentiediode, meestal van het band-gap type, een operationele versterker en een uitgangstransistor. De kathode wordt via de serieweerstand R1 uit figuur 1 verbonden met een ongestabiliseerde positieve spanning. De anode gaat naar de massa.
Fig. 3 Het inwendige schema van een shunt stabilisator bevat een bandgap referentie, een op-amp en een uitgangstransistor.
In de meest eenvoudige schakeling verbindt men de R-ingang rechtstreeks met de kathode. Er ontstaat een teruggekoppeld systeem, waarbij de spanningen op beide ingangen van de op-amp aan elkaar gelijk worden. Het gevolg is dat de kathodespanning zich instelt op de spanning van de interne referentiediode, meestal rond de 2,5 V.
Sluit men echter de R-ingang op de kathode aan via een spanningsdeler, zoals getekend in figuur 4, dan zal de kathodespanning niet alleen bepaald worden door de waarde van de interne referentiespanning, maar ook door de weerstandsverhouding. Op deze wel zeer eenvoudige manier kan men de `zener'-spanning van het geheel op zowat iedere gewenste waarde instellen.
Fig. 4 Het instellen van de `zener'-spanning op een gewenste waarde door de REF aan te sluiten op een weerstandsdeler over de 'zener'.
De uitgangsspanning van de schakeling wordt dan gegeven door de uitdrukking: Vka = Uref×(I+R1/R2)+Iref×R1
Eigenschappen
Een shunt stabilisator wordt gespecificeerd door een aantal grootheden, die nu in het kort worden voorgesteld.
De reverse breakdown voltage is de spanning van de ingebouwde referentiediode en daarmee tevens de laagste spanning die men met een shunt stabilisator kan genereren (R aan K).
De stabiliteitscoëfficiënt geeft de verandering van de 'breakdown voltage' weer in functie van de stroom door het onderdeel. Deze grootheid wordt opgegeven in mV over het volledige stroombereik van de stabilisator.
Dynamic impedance is de verhouding tussen de variatie op de uitgangsspanning en de variatie op de uitgangsstroom. In de meeste gevallen wordt deze parameter gedefinieerd bij een uitgangsspanning gelijk aan de reverse breakdown spanning en bij een stroom die gelijk is aan de maximaal toelaatbare waarde. Opgemerkt moet worden dat deze parameter zeer afhankelijk is van de frequentie! Hoewel in de meeste gevallen shunt stabisatoren uiteraard alleen te maken zullen krijgen met gelijkstroom, kan het in bepaalde schakelingen toch voorkomen dat het onderdeel door een wisselstroom wordt doorlopen. Dan gaat dat frequentie-effect uiteraard een rol spelen. Om een indruk te geven: bij een TL 431 wordt de dynamische impedantie opgegeven als 0,2 Ω. Dat geldt echter maar tot ongeveer 100 kHz. Bij 2 MHz is de dynamische impedantie echter reeds gestegen tot 15 Ω!
De minimale uitgangsstroom is de minimale stroom die men tussen de kathode en de anode moet laten vloeien om de interne referentiediode nog goed te laten werken.
De maximale uitgangsstroom is de maximale stroom die tussen de K- en de A-aansluitingen van het onderdeel mag vloeien.
De temperatuurscoëfficiënt. De interne referentiediode heeft uiteraard een bepaalde temperatuurscoëfficiënt, die de gelijknamige grootheid van het gehele onderdeel in belangrijke mate bepaalt. Helaas heeft men in de praktijk te maken met vrij hoge waarden. Er bestaat echter een algemeen bruikbaar truukje om de tempco te minimaliseren. Het schema dat in figuur 5 is getekend, heeft uiteraard alleen maar effect als de beide externe silicium-dioden op dezelfde temperatuur staan als de shunt stabilisator!
Fig. 5 Algemeen principe voor net minimaliseren van de temperatuurscoëfficiënt van een shunt stabilisator.
De LM x85
De LM x85 serie van National Semiconductor bestaat uit drie typen, namelijk de LM 185, 285 en 385. Wel moet men goed op de code letten. Er bestaan namelijk ook een LM 185-2.5 en een LM 385-2.5, die onder andere door Texas Instruments op de markt wordt gebracht en die een heel ander soort IC's betreffen!
De LM x85 wordt aangeboden in drie behuizingen, namelijk TO-46 metaal, TO-92 plastic en SO-miniatuur voor SMA met de in figuur 6 geschetste aansluitcodering.
Fig. 6 De drie behuizingen waarin de LM x85 geleverd wordt.
Deze shunt stabilisatoren zijn uitgerust met een bandgap-referentie met een spanning van 1,25 V die volgens het schema van figuur 7 met de interne op-amp verbonden is. De dynamische impedantie bedraagt 0,3 tot 1 Ω, de kathodestroom kan liggen tussen 10 µA en 20 mA. De temperatuurscoëfficiënt bedraagt gemiddeld 30 ppm/°C, de lange termijn stabiliteit is beter dan 20 ppm. Men moet rekening houden met een ruis-spanning van ongeveer 150 µV op de uitgangsspanning.
Fig. 7 Het interne blokschema van de LM x85-serie.
Het enige verschil tussen de drie typen is het temperatuurbereik. De 185 is bruikbaar tussen -55 en +125 °C, de 285 tussen -40 en +85 °C en de 385 tussen 0 en +70 °C.
Het basisschema van een 1,2 V referentie is getekend in figuur 8. Let op de zeer hoge serieweerstand van 0,5 MΩ!
Fig. 8 Standaard applicatie van een LM x85 als 1,2 V referentie.
Met de heel eenvoudige schakeling van figuur 9 kan men de uitgangsspanning opvoeren tot 10 V. Een LM 385 wordt in serie geschakeld met een referentiediode van het type LM 329. Deze combinatie heeft als voordeel dat de temperatuurscoëfficiënten van beide stabilisatoren elkaar gedeeltelijk compenseren.
Fig. 9 Het verhogen van de uitgangsspanning tot +10 V, waarde die vaak gebruikt wordt bij DAC's.
Een ongebruikelijke toepassing van shunt-stabilisatoren is getekend in figuur 10. Twee LM 385's worden in dit schema gebruikt als symmetrische clampschakeling. De clampspanning is met behulp van de instelpotentiometer R3 in te stellen tussen +/-1,8 en +/-2,4 V. De uitgangsspanning wordt onder alle voorwaarden binnen dit gebied begrensd.
Fig. 10 Een symmetrische clampschakeling met instelbare clampdrempels.
De LM x36-x.x serie
De LM x36-x.x serie van National Semiconductor bestaat uit zes typen. De x kan een 1, 2 of 3 zijn, de x.x 2.5 of 5.0. Deze laatste codering slaat op de spanning van de interne referentie.
Men kan deze serie aantreffen in TO-92, TO-46 en SO-behuizing, volgens dezelfde aansluitcodering als die van de LM x85. Verwezen wordt naar figuur 6.
De dynamische impedantie van de 2.5-serie bedraagt slechts 0,2 Ω, een waarde die met 0,6 Ω veel hoger ligt bij de exemplaren uit de 5.0-reeks. De kathodestroom kan liggen tussen 400 µA en 10 mA. De initiële tolerantie op de interne referentiespanning bedraagt slechts ±1 %, zodat deze IC's vaak in niet-kritische toepassingen zonder externe afregeling ingezet kunnen worden. De maximale variatie op de reverse breakdown spanning ligt, type-afhankelijk, tussen de 6 en de 20 mV voor het gehele stroombereik tussen 400 µA en 10 mA. De lange termijn stabiliteit is beter dan 20 ppm, de invloed van de temperatuurscoëfficiënt schommelt tussen de 1,8 en de 36 mV over het volledige temperatuurbereik. Ook deze parameter is type-afhankelijk. In het algemeen kan men stellen dat de 3xx-typen iets stabieler zijn dan de 1xx- en 2xx-exemplaren uit deze reeks. Nu naar de praktijk!
Het standaardschema voor een nauwkeurig in te stellen referentiebron met speciale anti-ruis maatregelen is getekend in figuur 11. De shunt-stabilisator wordt hierbij afgesloten met een als laagloorlaatfilter geschakelde operationele versterker, waardoor de ruis van de stabilisator grotendeels wordt onderdrukt.
Fig. 11 Een operationele versterker zorgt voor het onderdrukken van de ruis op de uitgangsspanning.
Als men de stabilisatoren noet aansluiten op een sterk schommelende ongestabiliseerde spanning kan men het schema van figuur 12 gebruiken. Hierbij wordt een stroombron van het type LM 334 gebruikt om de overtollige spanning op te vangen. De ongestabiliseerde ingangsspanning mag hierbij variëren tussen 3,5 en 40 V!
Fig. 12 Een schakeling voor het verhogen van de ingangsspanning.
In figuur 13 wordt een schakeling beschreven van een zeer temperatuurstabiele spanningsreferentie met een uitgangsspanning van 5,00 V. De uitgangsspanning kan met behulp van de instelpotentiometer Rl afgeregeld worden tussen 4,5 en 5,5 V. Let er op dat de schakeling geoptimaliseerd is voor een stroom van 1 mA. Men moet de waarde van Rs daarop berekenen.
Fig. 13 De meest ideale schakeling voor het minimaliseren van de temperatuurscoëfficiënt.
Uiteraard kan men de uitgangsspanning van deze shunt stabilisatoren desgewenst ook opvoeren tot de standaardwaarde van 10,00 V die vaak bij DAC's wordt gebruikt. In figuur 14 wordt daarvoor een bruikbaar schema gegeven, waarbij de voedingsspanning mag variëren tussen 12 en 36 V. Uiteraard kan men bij dit schema ook de reeds beschreven maatregelen toepassen om de temperatuurscoëfficiënt te minimaliseren!
Fig. 14 Een 10,00 V referentie die gebruikt kan worden in DAC-schakelingen.
Tot slot een niet zo voor de hand liggende, maar wel nuttige toepassing van deze IC's. In figuur 15 is een zogenaamde 'crowbar'-schakeling voor 5 V getekend. Een 'crowbar' is een soort elektronische zekering, die doorslaat als de voedingsspanning van een schakeling als gevolg van een doorslag in de voeding boven een veilige waarde dreigt te komen. De ramp is uiteraard niet te overzien als een uitgebreide TTL-schakeling opeens met een spanning van 10 V geconfronteerd wordt! Met de schakeling van figuur 15 kan men een dergelijke ramp voorkomen. Twee LM 3362.5 IC's worden gebruikt voor het sturen van de gate van een gevoelige thyristor.
Fig. 15 Een zogenaamde crowbar schakeling beschermt gevoelige IC's tegen een te hoge voedingsspanning.
Als de voedingsspanning groter wordt dan 5,5 V zal de thyristor in geleiding gestuurd worden. Het gevolg is dat de te hoge voedingsspanning kortgesloten wordt naar de massa en hoogstens de zekering in de voeding het begeeft in plaats van tientallen dure TTL-IC's.
De TDC 0136
De TDC 0136 wordt op de markt gebracht door Thomson Semiconductor als kloon van de LM 336-2.5 van National Semiconductor. Dit IC zit in een TO-92 behuizing met de aansluitcodering die reeds in figuur 6 is getekend.
De TL 430 x
De TL 430 is een zeer universeel toepasbare shunt stabilisator van Texas Instruments. Dit universeel karakter is een gevolg van de meer dan uitstekende eigenschappen van dit type IC's, zoals bijvoorbeeld een tussen 3,0 en 30,0 V instelbare zenerspanning en een stroom tussen 0,5 en 100 mA! De twee versies van deze schakeling. namelijk de TL 430 I en de TL 430 C, worden geleverd in een speciale zogenaamde `SILECT kunststof behuizing, waarvan de vormgeving en de aansluitcodering is samengevat in figuur 16. De I is bruikbaar tussen -25 en +85 °C. de C tussen 0 en +70 °C.
Fig. 16 Behuizing en aansluit-gegevens van de TL 430. Let op: bovenaanzicht!
De reverse breakdown voltage varieert tussen de 2,6 en de 2,9 V voor de TL 430 I en tussen de 2,5 en de 3 V voor de TL 430 C. De I is in het algemeen het type dat is uitgeselecteerd op de beste eigenschappen. De dynamische impedantie van deze regulatoren ligt tussen de 1,5 en de 3 fl, de ruilspanning varieert met de uitgangsspanning tussen 50 en 650 µV. De temperatuurscoefficiënt wordt opgegeven als 120 ppm/°C gemiddeld.
Aan de hand van de TL 430 worden enige niet zo voor de hand liggende, maar wel praktische toepassingen van shunt stabilisatoren besproken. Daaruit zal blijken dat het gebruik van een dergelijk IC vaak tot aanzienlijke besparing op het aantal onderdelen kan voeren!
In figuur 17 wordt dit IC ingezet als seriestabilisator. De R-ingang wordt opgenomen in een weerstandsdeler tussen de uitgang en de massa, de kathode stuurt een darlington. De uitgang van de stabilisator staat dus op een spanning die ongeveer 1.2 V lager is dan de spanning van de shunt stabilisator. De terugkoppeling via R1 en R2 zorgt ervoor dat de uitgangsspanning van de schakeling constant blijft. Deze wordt gegeven door de uitdrukking: Uuit = (1 + R1 / R2) × Vref
Fig. 17 Een shunt stabilisator kan als gecombineerde referentie/ verschilversterker ingezet worden in serie stabilisatoren.
Het zal duidelijk zijn dat deze schakeling een heel eenvoudig en goedkoop alternatief biedt voor de standaard schakeling van een seriestabilisator. Daar heeft men immers, naast de noodzakelijke referentiediode, steeds een operationele versterker nodig om het regelsysteem te sturen. Dit onderdeel kan nu vervallen.
In figuur 18 is een stroombegrenzer getekend. De sensorweerstand Rcl en de referentiespanning van de stabilisator bepalen de grootte van de maximale stroom die door de schakeling geleverd kan worden volgens de uitdrukking: Iuit = Vref/ Rcl
Fig. 18 Een stroombegrenzer, die uiteraard ook als stroombron ingezet kan worden.
Figuur 19 toont een schakeling, waarmee men een transistor in geleiding kan sturen wanneer een voedingsspanning tussen twee drempels ligt. De twee drempels, in het schema LOW LIMIT en HIGH LIMIT genoemd, worden ingesteld door vier weerstanden R1a, R1b, R2a en R2b.
Fig. 19 Een voedingsspanningsbewaking die een transistor in verzadiging stuurt als de voedingsspanning tussen twee drempels ligt.
De schakeling van figuur 18 kan men opvatten als een constante stroombron. Iedere stroombegrenzer heeft immers, onder bepaalde voorwaarden, dezelfde karakteristieken als een stroombron. Heeft men een stroomsink nodig, dus een schakeling die een bepaalde constante stroom opneemt, dan kan men het schema van figuur 20 gebruiken. De opgenomen uitgangsstroom wordt gegeven door de uitdrukking: Iuit = Vref/ Rs.
Fig. 20 Een stroomsink trekt een constante stroom uit een schakeling.
Ook nu weer blijkt duidelijk hoe men heel wat onderdelen kan uitsparen door gebruik te maken van een shunt stabilisator.
De TL 431 x
De TL 431 x reeks van Texas Instruments bestaat uit drie typen, waarbij de x vervangen wordt door M, I of C. Er zijn drie type-afhankelijke behuizingen beschikbaar waarvan de aansluitcodering is samengevat in figuur 21. Let op de verschillende coderingen van de normale DIL en de SO voor SMA!
Fig. 21 De drie leverbare behuizingen van de TL 431 serie.
De reverse breakdown spanning varieert tussen 2,440 en 2,550 V en zal maximaal 44 tot 17 mV afwijken over het volledige temperatuurbereik. De M-versie kan worden ingezet tussen -55 en +125 °C, de I-versie tussen -40 en +85 °C en de C-versie tussen 0 en +70 °C.
De kathodespanning kan worden ingesteld tussen (uiteraard) 2,5 V en 36 V, waarbij de stroom door het IC kan oplopen tot 100 mA. De dynamische impedantie varieert tussen 0.2 en 0,5 Ω.
De LM 431
De LM 431 van National Semiconductor is een kloon van de TL 431 C van TI, en is leverbaar in TO-92, Dual-inLine en SMT-behuizing. Wezenlijk verschil is dat dit IC een maximale stroom van 150 mA kan voeren.